赖东锋 陈丽媚 叶铁英

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

很多家电产品具有旋钮操作这种控制方式，比如音箱、风扇、微波炉、抽油烟机、空调控制器等，在家电产品需要调节多个功能选项或者较大范围参数时，相比按键点击操作，旋钮旋转操作起来更加便捷，而且旋钮操作本身也是一种有趣的、操作感强的人机交互方式。

目前家电产品的旋钮大都采用机械式的旋钮，旋钮跟产品主体需要物理上的连接，需要在产品的操作面板上开孔，破坏产品面板的密封性和一体性，导致产品面板不防尘、不防水，而且容易藏污垢，不便产品表面清洁，湿抹布清洁旋钮周围时，还会容易把抹布中的水挤进旋钮缝隙进入产品内部引起电路元器件腐蚀，损坏产品。而且机械式旋钮使用较长时间后，由于长期物理上的受力、磨损，容易出现旋转异常或失效的问题。

所以，本文提出了一种基于LDC1314 芯片的电感式旋钮控制系统的设计方案，该系统利用金属板和电感检测线圈之间的磁耦合作用，面积变化的金属板在线圈上方移动时，金属板与线圈之间的耦合作用会发生变化，进而影响线圈电感量的变化[1]，通过LDC1314 芯片对电感量的变化进行检测，识别旋钮的转动方向和角度，实现家电产品的电感式旋钮控制。

1 电感式旋钮控制系统结构设计

电感式旋钮控制系统的结构包括两大部分：旋钮和产品主体，如图1 所示。图1 中的旋钮PCB 和磁铁1 属于旋钮的一部分，面板、主板PCB、磁铁2 属于产品主体中的一部分。旋钮PCB 和磁铁1 贴于旋钮底部，旋钮PCB、磁铁1 和旋钮三者同轴，主板PCB 和磁铁2 贴于面板背面，旋钮依靠两块磁铁的吸力贴合到面板上面，由于旋钮需要进行旋转，所以两块磁铁必须是圆柱形磁铁。

图1 电感式旋钮控制系统部件结构示意图

旋钮PCB 上面铺有特定形状的铜皮，主板PCB 上面布有电感检测线圈，当旋钮旋转时，特定形状的铜皮跟线圈产生变化的磁耦合作用，引起线圈电感量的变化。

本系统采用磁吸式的结构，当需要清洁产品面板表面时，可以很轻松地将旋钮拿开，清洁完面板后再放回去，非常方便，而且面板不用开孔，利于一体化面板的产品外观设计。

2 电感式旋钮控制系统硬件设计

2.1 旋钮PCB 铜皮设计

旋钮PCB 为圆形，PCB 上的铜皮需设计为图2 所示形状，在0 ≤θ ＜180 °时，铜皮的宽度W 与角度θ成正比，在180°≤θ ＜360 °时，铜皮的宽度W 与角度θ 成反比。

铜皮外圈轮廓离中心点的距离L0与角度θ 关系为：

铜皮内圈轮廓离中心点的距离Li与角度θ 关系为：

铜皮宽度W= L0- Li。

铜皮外圈轮廓坐标x0和y0与角度θ 关系为：

铜皮内圈轮廓坐标xi和yi与角度θ 关系为：

利用PCB 设计软件Altium Designer 对PCB 进行铺铜，设计旋钮PCB 铜皮，根据上述公式，计算出铜皮外圈和内圈轮廓在（0 ～359）°时的坐标值，并制作成csv 文件。在Altium Designer 中选择Polygon Pour（铺铜），导入外圈轮廓坐标值的csv文件，生成外圈轮廓形状的铺铜，再选择Polygon Pour Cutout（铺铜切割），导入内圈轮廓坐标值的csv 文件，在外圈轮廓形状的铺铜基础上切割内圈轮廓形状的铺铜，即剩下图2 所示的类似月牙形状的铺铜。

图2 旋钮PCB 铜皮形状图

设计的中央空调控制器旋钮PCB 实物如图3 所示。

图3 中央空调控制器旋钮PCB 实物图

2.2 电感检测线圈设计

在主板PCB 上设计四个电感检测线圈，旋钮与面板贴合时，四个线圈投影到旋钮PCB 铜皮上的位置如图4所示，相邻的两个线圈的中心与旋钮PCB 中心的连线互相垂直，每个线圈的中心离旋钮PCB 的中心距离为r，即旋钮旋转时，每个线圈的中心都在半径为r 的圆形路径上移动，线圈的半径等于r - ri。

图4 线圈投影到旋钮PCB 铜皮的示意图

线圈的设计比较复杂，其各种阻抗的匹配和线圈的形状、尺寸及线圈的匝数都对检测有很大的影响[2]，为了提高设计的精度和可靠性，采用TI 公司提供的WEBENCH® Inductive Sensing Designer Tool 进行线圈的设计。

在WEBENCH® Inductive Sensing Designer Tool 中，设定线圈离旋钮PCB 铜皮的距离、测量精度、铜皮的最大宽度以及铜皮的材料后，软件自动生成线圈设计方案，并且可以在生成的方案中对线圈直径、匝数、PCB 层数等参数范围进行调整，对方案进行筛选，而且可以看到不同方案对应的线圈匝数、直径、并联电容、串联电阻、PCB 层数等参数，将线圈的这些参数输入WEBENCH® Coil Designer 可以快速输出线圈的电感、谐振频率、品质因数Q 等参数，结合实际应用从中选择出最合适的方案，最终导出PCB 文件[3]。

设计的中央空调控制器电感检测线圈PCB 实物如图5 所示。

图5 中央空调控制器电感检测线圈PCB 实物图

2.3 电感式旋钮检测电路设计

本系统采用TI 公司的一款电感数字转换芯片LDC1314 对线圈的电感量变化进行检测，LDC1314 电路原理图如图6 所示，LDC1314 通过IIC 接口（SCL 和SDA）与主板MCU 通讯，CLK 脚接入8 MHz 的外部时钟，为LDC1314 提供时钟源。INTB 脚接到MCU 的中断脚，当LDC1314 的状态寄存器产生变化时，可通过INTB 脚产生中断信号告知主板MCU。SD 脚接到MCU 的GPIO 口，MCU 可以在不需要检测旋钮状态时，通过控制SD 电平关停LDC1314，以节省主板功耗[4]。

图6 LDC1314 电路原理图

LDC1314 的四组IN*A 和IN*B（*表示0 ～3）脚分别接到电感检测线圈的两端，如图7 所示。

图7 LDC1314 连接线圈示意图

线圈与并联的电容形成LC 并联谐振回路，谐振回路的谐振频率为：

LC 谐振电路产生的交变电流会形成交变磁场（图7 中H1），当旋钮贴合到面板上时，根据电涡流原理，旋钮PCB 的铜皮内部会产生电涡流，电涡流也会产生磁场（图7 中H2），抵消一部分线圈产生的磁场，由于磁场的反作用,使线圈中电流和相位都发生变化，也即引起线圈的等效阻抗发生变化，线圈的电感量也发生变化[5]。当旋钮转动时，铜皮投射到线圈上的面积随着旋钮旋转的角度变化而变化，不同面积的铜皮上形成的电涡流回路的直径和电流不同[6]，从而形成的反向磁场强度也不同，进而被抵消的线圈磁场强度也不一样，导致旋钮旋转时线圈的电感量产生变化，进一步引起LC谐振回路的谐振频率的变化。

LDC1314 芯片可以检测LC 谐振频率，并将频率经过内部计算转换为AD 值[4]，主板MCU 通过IIC 总线从LDC1314 获取不同频率对应的AD 值。

3 电感式旋钮控制系统软件设计

3.1 旋钮旋转角度的计算

四个检测线圈分为两组，如图8 所示，A1、A2 为一组，B1、B2 为一组。

分别计算每组中两个线圈检测到的AD 值的差值，A组的差值等于A1 减去A2 的AD 值，B 组的差值等于B1减去B2 的AD 值。旋钮PCB 上的铜皮宽度与相位成线性关系，当旋钮贴合到面板上时，以图8 所示的线圈与铜皮所处的相对位置为0 °相位，旋钮旋转一周，记录不同相位时A、B 组的差值，生成曲线如图9 所示。

图8 旋钮0 °位置示意图

图9 A、B 组差值曲线图

对两组差值大小进行调整和偏移，将范围校准到[-1，1]之间，经过线性校准的A、B 组的差值曲线分别跟正弦和余弦曲线匹配，如图10 所示。

图10 线性校准后的A、B 组差值曲线图

利用反正切函数计算旋钮旋转的角度θ，计算公式如下：

3.2 旋钮旋转检测算法

通过检测旋钮旋转的角度和方向，即可对产品的参数或功能进行调节。

主板MCU 每隔50 ms 检测一次旋钮旋转的角度，第一次检测的角度值为θ1，并把θ1赋值给θl，第二次检测的角度值为θ2，以此类推，第n 次检测的角度值为θn，从第二次检测开始，每次检测角度后，计算本次检测的角度跟θl的差值。

当|θn-θl|＜ A0 时，θl的值不变。

当|θn-θl|＞A1 时，旋钮的旋转操作无效，且将本次检测的角度值θn赋值给θl，即θl=θn。

当θn＞θl且A1 ≥θn-θl≥A0 时，识别为一次正向旋转，被调节的参数加一，且将本次检测的角度值θn赋值给θl，即θl=θn；当θl＞θn且A1 ≥θl-θn≥A0 时，识别为一次反向旋转，被调节的参数减一，且将当前检测的角度值θn赋值给θl，即θl=θn。

另外，还需要判断旋钮的旋转是否经过0°位置，当θn＞θl且A1 ≥360 °-(θn-θl) ≥A0 时，说明反向旋转经过了0 °位置，识别为一次反向旋转； θl＞θn且A1 ≥360 °-(θl-θn) ≥A0 时，说明正向旋转经过了0 °位置，识别为一次正向旋转。

其中A0 和A1 是预设值，旋钮每旋转A0 角度后改变一次参数值，A1 是一个较大的角度值，表明在50 ms 时间内旋钮变化了很大的一个角度，说明不是用户的正常操作需求，处理为无效操作，可以避免由于某些异常引起的旋钮角度值瞬间变化很大引起的误动作。在产品设计和调试时，可以根据旋钮的大小、被调参数的多少确定A0 和A1 的值，让旋钮操作达到适合的灵敏度。旋钮直径较小时，容易一次旋转较大角度，被调参数较少，则可以旋转角度较大时才改变一次参数，所以旋钮直径越小、被调参数较少，则可以把A0 和A1 设为越大，反之亦然。另外还可以通过改变每次检测旋转角度的时间间隔，调节旋钮旋转的灵敏度。

从θl重新赋值开始，如果经过2 s 后，|θn-θl|＜A0，则将本次检测的角度值θn赋值给θl，因为在较长时间内旋钮都没有大于A0 的角度变化，说明没有人为的旋转操作，此时需要更新θl值，防止旋钮由于某些非人为操作的原因出现缓慢转动而引起误动作，比如产品工作时面板振动引起旋钮轻微的转动。

旋钮旋转检测算法流程图如图11 所示。

图11 旋钮旋转检测算法流程图

因为电感式旋钮旋转角度的检测精度可以达到1 °，所以可以通过调节A0 和A1 的值，满足不同旋钮尺寸、参数范围的产品应用，并实现精度为1 °的旋转灵敏度调节，达到最佳的操作手感，还可以应用于参数的无极调节。经实际测试，在旋钮直径为50 cm、需调参数为20 个时，A0 设为15 °，A1设为90 °，操作体验较好。

4 结束语

在家电产品中，旋钮操控是一种不可或缺的人机交互方式，相比于传统的机械式旋钮，电感式旋钮具有灵敏度可调、结构简单、利于产品面板一体化设计、可移动、易清洁、不易磨损等优势。本文设计的电感式旋钮控制系统已经应用于中央空调控制器，提供了一种全新的空调控制体验，在其他家电产品中，亦可采用此电感式旋钮控制系统方案，实现产品的外观和操作体验升级，特别是对于一些控制面板容易脏污需要经常清洁的产品，比如抽油烟机、燃气灶等。

另外，电感式旋钮还可以做一些扩展功能的设计，比如旋钮内部增加红外遥控电路和纽扣电池，即可集成遥控功能，当旋钮置于产品面板上时，实现旋转控制功能，当旋钮从面板上拿下来时，实现遥控操作功能。